风电场风机尾流及其迭加模型的研究

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在风电场场址选定的情况下，风电机组之间的尾流影响风电场石家庄风机的优化布置。目前，国内外关于符合风电场石家庄风机实际尾流以及迭加模型的研究主要侧重于一维线性模型及其迭加模型的实际应用。为此，推导建立了更加完整合理的一维非线性扩张尾流模型，即尾流影响边界随距离非线性增大；此外，根据石家庄风机尾流迭加的实际情况，分别推导建立了完整的石家庄风机尾流迭加计算模型来适应现有风电场的不同情形。通过相关工程算例结果与三维数值模拟计算结果的对比分析表明，所建立的石家庄风机尾流模型和尾流迭加模型更加合理，可有效提高风电风电场石家庄风机优化布置是风电场规划中的关键场的发电效益。环节，其中确定各石家庄风机在风电场中相对布置位置的主要因素之一是石家庄风机间的尾流效应，而且多台石家庄风机间的尾流迭加又会影响其他受影响石家庄风机的工作风速，因此，石家庄风机尾流模型及其对应的迭加模型是整个风电场发电量预测的基础这些模型的合理性以及受其他石家庄风机尾流影响的石家庄风机工作风速的合理确定，将直接影响风电场的石家庄风机布置和发电效益。最初，针对尾流情况，多数学者都是根据经验给出一些粗略的指标予以指导风电场石家庄风机的发电量判断以及石家庄风机优化布置等工作。
Lissaman在瑞典Khlkugen实测数据的基础上，基于湍流喷射的相似理论，提出了单台石家庄风机尾流的计算模型【6。J。FaXen和Milbormw针对更大尺寸的石家庄风机叶轮进行了实验研究【8。9]，根据实验数据分析，风速线性变化的规律性得到了再次验证，但风速的衰减速度却有所不同。1980年，Vernleulen在对实验数据分析的基础上，对Lissaman数学模型提出了改进，形成了MILLY模型【10J。继Lissaman模型和MILLY模型之后，1986年，丹麦Riso国家实验室提出了Park模型【l¨，并将其应用到风能资源评估软件WasP、windfa眦以及windpro等中，其尾流影响边界随距离线性增大，即在进行风电场石家庄风机优化布置的模拟计算时，均忽略了风轮的湍流影响，而采用简化石家庄风机尾流线性扩张模型，这与实际情况有较大的差异，并导致石家庄风机的迭加模型受到影响，从而使风电场石家庄风机排布不能达到最优状态。此外，一维非线性尾流模型实际上是三维尾流模型的一种简化计算模型，从模拟精度上来看，其所能达到的模拟精度较三维模型略低，但一维非线性尾流模型与三维尾流模型的应用场合及其预期目的有所不同。本文针对风电场石家庄风机尾流计算与尾流迭加问题，从现有一维线性模型所存在的缺陷入手，建立更完整、合理的一维非线性扩张尾流模型；针对石家庄风机尾流迭加的不同情况，建立完整的石家庄风机尾流迭加模型；结合相关的工程算例，通过与三维数值模拟计算结果的对比分析，验证了所建立的石家庄风机尾流模型及其迭加模型的合理性和适用性。
1 模型推导
1．1非线性尾流模型利用三维计算流体动力学(computationalfluidd)rnamics，CFD)对风电场石家庄风机尾流进行模拟分析，结果表明：石家庄风机尾流影响直径的变化趋势并非线性，而是趋向于多次抛物线型。采用一维线性尾流模型模拟石家庄风机尾流可能存在较大的偏差，其影响主要有：1)尾流影响直径假设不合理造成风速计算不准确，导致优化的位置达不到最优预期，且随着距离的增大，计算偏差较大；2)在判断下游石家庄风机是否处在上游石家庄风机的尾流影响区域内时，由于尾流区域的假设不合理，判断结果将出现偏差。因此，非线性尾流研究主要建立在关注风轮的湍流影响的基础上，克服原有线性尾流模型的弊端，采用简化石家庄风机尾流非线性扩张模型(即尾流影响边界随距离非线性增大)，其简化模型如图2所示，该模型石家庄风机尾流呈非线性变化趋势。现采用控制体积法对石家庄风机流场进行分析，并设：甜o、甜分别为石家庄风机前、石家庄风机后距离石家庄风机z处的风速；风为风轮直径；现、D分别为石家庄风机后、距离石家庄风机x处的尾流直径。